缝制机器人进给运动规划与实验研究.pdf

技术应用Technique and application 9Robot Technique and Application2023 40 引言缝纫作为最重要的纺织品连接技术之一，在所有纺织品连接方法中占比高达 85%1。作为服装和工业用纺织品生产制造的最复杂最重要的工艺步骤2，传统缝纫依赖人力控制进给布料，劳动强度大，自动化水平低并且缝纫质量不稳定3。为了提高缝制行业的自动化程度，随着工业技术的发展，如图 1 所示，自动化技术逐步应用于缝制行业4。对于普通的直线段组合形成的图案，数控缝纫机床（图 1（a）利用缝纫机头在 X、Y 方向的轴向运动，完成固定在机床上的布料缝制5。移动机头缝制方式不符合常规缝制习惯。利用机器人进行缝制成为自动化缝制的重要解决方案。（a）数控缝纫机床（b）双机器人缝制（c）SEWBOT 缝制图 1 自动化缝制机器人进给布料，缝纫机头固定在机器人工作空间范围内的缝制方式，符合常规缝制要求6。挪威学者SCHRIMPF 等7利用双机器人上下配合拖曳布料，结合缝制机器人进给运动规划与实验研究 刘峦1,2 王进1,2*陆国栋1,2（1浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，机械工程学院，杭州，310058；2设计工程及数字孪生浙江省工程 研究中心，机械工程学院，杭州，310058）摘 要为了解决复杂轮廓曲线下，利用机器人辅助布料送料配合缝纫机缝制的问题，本文对机器人辅助送料轨迹生成与速度规划进行了研究。根据缝纫底板提取缝制轮廓，利用齐次变换法，建立缝制轮廓点与机器人末端点之间位姿关系，得到末端点序列组成的机器人进给轨迹。根据不同曲率段轮廓的缝制难度，基于梯形曲线规划方法对缝制轮廓进行分段缝制速度规划，进而完成机器人末端速度规划。实验表明：本方法实现了机器人的较平稳缝制，改善了曲率变化处机器人速度波动与缝制褶皱问题。关键词：缝制机器人，轨迹生成，速度规划本文受到宁波市科技计划项目（项目编号 2020Z072）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（项目编号 2022C01101）、浙江省重点研发计划项目（项目编号 2020C01025）的资助。*通讯作者。技术应用Technique and application 10机器人技术与应用 2023 4力传感器与边缘传感器控制位置，模仿人工缝制动作（图1（b），但双机器人增加了规划要求和控制难度8。美国 SEWBOT 公司利用单机器人（图 1（c），将末端吸附被刚性化处理的布料放在缝纫机上完成布料的缝制9。该机器人能够进行直线段、圆弧段等简单接缝任务的缝制。1 问题描述由于缝制任务的多样性，待缝制曲线往往是复杂曲线与直线的组合，当缝制曲线曲率变化大时，由于缺少机器人与缝纫机的协同速度规划，难以完成接缝任务。针对复杂曲线的缝制，本文研究在缝纫机为外部设备、机器人配合缝纫机辅助送料进行缝制的场景下，完成复杂轮廓布料包边缝制，机器人进给轨迹生成与速度规划问题，如图 2 所示。（a）机器人缝制示意图（b）机器人缝制俯视图图 2 机器人进给布料缝制缝制轮廓由机器人末端缝制底板的轮廓确定，因此首先要提取底板轮廓，得到轮廓序列点。轮廓序列点与机器人末端轨迹序列点之间的关系为：。（1）式（1）中，表示生成轮廓与机器人末端序列点之间的变换矩阵，当轮廓序列点足够密集时，依序连接机器人末端序列点，生成机器人缝制进给轨迹；最后依据轮廓曲线的曲率变化情况，对机器人缝制速度进行规划，在保证机器人运动较平滑情况下完成轮廓曲线的缝制任务。2 机器人运动学分析采用常用的 D-H10模型描述机器人连杆之间关系，利用齐次变换矩阵将连杆联系起来。通过 D-H 模型中的连杆长度、连杆扭角、关节转角、关节偏置等参数，确定相邻两关节之间的齐次变换矩阵：。（2）式（2）中、分别表示正弦函数 sin 与余弦函数cos。采用上述方法对本文采用的 KENBEI 机器人建立关节坐标系，如图 3 所示。图 3 机器人各关节坐标系根据建立的机器人关节坐标系，机器人的 D-H 参数如表 1 所示。表 1 机器人连杆的 D-H 参数连杆/mm/mm11-900112.3220425033039804490011455-9001146600104基于机器人 D-H 参数与相邻关节之间的变换矩阵，当各关节转角确定后，利用正运动学求解，可以得到机器人末端的位姿。相邻两关节的坐标关系如式（2）所示，代入式（3）中：技术应用Technique and application 11Robot Technique and Application2023 4。（3）式（3）中表示基坐标系下末端执行器中心点的位置和姿态，、分别表示基坐标系下机器人末端的三个方向的姿态分量，表示位置分量。各分量计算如式（4）所示：。（4）式（4）中、由机器人连杆参数确定，、分别表示、，、分别表示与。3 基于 Canny 边缘算子的缝制轮廓提取本文缝制机器人的缝制任务是对布料外轮廓进行包边缝制。以不同轮廓形状的底板为工具，完成相应轮廓形状布料的包边缝制。本小节对轮廓提取技术进行研究，基于边缘提取算法获得机器人待缝制轮廓曲线，考虑缝纫机针与底板边缘之间的安全距离，设定安全裕值，优化机器人缝制轮廓曲线。边缘提取算法目前已经得到了广泛的研究与应用，其中常用的边缘提取算子有 Canny 算子、Laplacian 算子、Sobel 算子等11。Canny 算子抗噪声能力强，对于弱边缘检测效果更好12，本文以 Canny 算子提取底板轮廓。基于 Canny 算子的边缘检测算法流程如图 4 所示。基于Canny 算子提取的轮廓如图 5 所示。图 4 基于 Canny 算子的边缘提取算法流程图（a）底板模型图（b）底板轮廓图（c）轮廓外扩图图 5 模型图、轮廓及外扩图如图 5 所示，图 5（a）为底板模型图，图 5（b）为Canny 算子提取所得底板轮廓，图 5（c）为外扩后底板轮廓图，其中浅蓝色为原始底板区域，蓝色边缘为待缝制轮廓。缝制过程中，机器人带动缝制底板绕缝纫机针运动，原始图像灰度图像高斯滤波梯度计算滞后边界跟踪双阈值检测非极大值抑制技术应用Technique and application 12机器人技术与应用 2023 4缝纫机对底板轮廓形状的布料进行包缝。考虑到底板边缘与缝纫机针的相对位置关系，若完全按照底板边缘进行包缝，由于机器人运动误差的存在，底板边缘与缝纫机针可能出现碰撞，带来安全问题。为此，设定缝纫距离安全裕值，对底板轮廓进行等距外扩13，如图 6 所示。图 6 轮廓外扩示意图4 基于齐次变换的机器人进给轨迹生成在机器人缝制工艺中，对缝制曲线有严格的中间点要求。本文中缝制曲线为前文得到的轮廓曲线，结合轮廓曲线关键点生成进给轨迹。将某一时刻与缝纫机针最接近的底板轮廓点视为该时刻工具工作点。随着机器人带动底板进给布料，不同时刻工具工作点不同。针对机器人缝制运动的特点，结合轮廓缝制的位置约束与姿态约束，基于齐次变换法建立位姿关系，生成机器人末端进给轨迹。如图 2（b）所示，Base 表示机器人基坐标系原点，Ele 表示机器人末端点，Con 表示底板轮廓点，Tar 表示缝纫机针所在的位置点。缝制底板为机器人的末端工具，底板坐标系即为工具坐标系。利用某一轮廓曲线点在工具坐标系中的坐标，得到该工具工作点的位置约束。在实际缝制工艺中，缝纫姿态为切角姿态，即当前点为轮廓切点，得到该工具工作点的姿态约束。结合位置约束与姿态约束，确定该工具工作点在工具坐标系下的位姿变换矩阵。确定机器人末端的进给轨迹，即确定缝制轮廓曲线点序列下笛卡尔空间内机器人末端的位姿序列。缝制过程中，轮廓曲线点与机器人末端点满足位姿关系：。（5）式（5）中，表示轮廓曲线点序列。表示缝纫机针所处的目标点在基坐标系下的位姿矩阵。机器人进行缝制，轮廓曲线点依次到达缝纫机针所处位置，即式（5）所表示的位姿变换关系。缝纫机针在基坐标系位姿矩阵可表示为：。（6）式（6）中表 示 位 置 分 量，如 图 2（b）所 示，由缝纫机针在机器人基坐标系下的、确定。根据实验平台中机器人与缝纫机实际相对位置，确定。表 示 姿 态 分 量，在平面状态下缝纫机针可以视为质点，姿态分量分别为，。将轮廓曲线上各点在工具坐标系下的位姿矩阵依序代入到式（5）中，保持不变，依序得到对应的机器人末端轨迹点位姿序列。将机器人末端轨迹点序列依次连接，生成机器人末端进给轨迹。图 7（a）所示为生成的机器人末端轨迹图。（a）机器人末端轨迹图（b）轮廓曲线曲率分段（c）进给轨迹分段图 7 轮廓与轨迹分段图技术应用Technique and application 13Robot Technique and Application2023 45 基于曲率分段的进给轨迹速度规划缝制任务的完成，需要机器人按照图 7（a）所示生成的进给轨迹进给布料，同时缝纫机按照相应速度进行缝纫。因此需要协调考虑机器人进给速度与缝纫机缝制速度，对机器人进给轨迹进行速度规划。在缝制工艺中，考虑缝制面料之间移位与缝合褶皱问题14，在缝制任务的直线段缝制速度快，在曲率变化段可适当降低缝制速度。针对复杂轮廓曲线，基于曲率分段的方法，对不同曲率段轮廓曲线对应的进给轨迹进行速度规划。曲率计算公式如式（7）所示。（7）式（7）中表示从当前点开始的弧段长度，表示对应的切线转角。顺序遍历轮廓曲线上的各点，计算得到轮廓各点的曲率值，如图 8 所示。图 8 轮廓曲率变化趋势图图 8 表示随轮廓长度变化的曲率变化图。分析该图可知，轮廓曲线曲率变化范围为 01.2，变化幅度大，分段趋势明显。不同曲率段轮廓对应机器人末端移动速度关系如式（8）所示：。（8）式（8）中表示机器人末端移动速度，表示末端转动速度，表示轮廓缝制速度。当曲率发生突变时，机器人末端移动速度也会发生较大变化。因此对缝制轮廓进行分段处理。根据曲率变化趋势图，将轮廓曲线分为四段：A 段（0300mm）、B 段（300500mm）、C段（500700mm）、D 段（7001000mm）。轮廓分段与对应进给轨迹分段图如图 7 所示。由图 7（b）可知，轮廓曲线依曲率变化被分为四段，相应的机器人进给轨迹也为四段。分段后各段轮廓曲线曲率变化趋于一致，对轮廓曲线与进给轨迹进行分段规划。缝制工艺中，最佳的缝制状态为匀速缝制。为了尽可能多地保持匀速缝制，本文基于梯形曲线规划方法15，首先对轮廓曲线进行缝制速度规划，然后利用轮廓边缘点与机器人末端点之间的齐次变换关系，规划机器人进给轨迹速度。梯形曲线规划将整个运动过程分为匀加速、匀速、匀减速三个阶段，需要给定起始速度、终止速度、最大速度、加速度、减速度以及起始点位置与终止点位置。在给定各段轮廓曲线的缝制时间、缝制速度等约束参数后，基于梯形曲线速度规划，得到时间序列下各轮廓曲线点的缝制位置、速度与加速度。结合式（5）所示的齐次变换方法，得到对应时间序列下机器人末端轨迹点序列，进而得到机器人进给轨迹点的速度、加速度等信息。6 实验研究本小节对前文所述的研究方法进行实验验证。实验用机器人为 KENBE-6KG 协作机器人，缝纫机为巴莫四线工业包缝机，工作转速为 2002000 r/min，缝纫机针距为2mm，缝制速度为 6.6766.7mm/s。实验平台如图 9 所示。图 9 机器人缝纫实验平台图10所示为规划前即缝纫机恒速缝制时实际状态图。随着机器人带动布料进行缝制，在曲率变化轮廓段，缝制速度与进给速度不匹配，布料出现褶皱。为了保证良好的缝制效果，根据轮廓曲率进行缝制速度规划。图 10 规划前实际缝制状态图技术应用Technique and application 14机器人技术与应用 2023 4如图 7（b）所示，根据曲率将缝制轮廓分为四段。在此基础上，根据缝纫机性能，设定轮廓各段的最大缝制速度分别为：50mm/s、15mm/s、30mm/s、40mm/s。基于梯形曲线速度规划方法，计算各轮廓段缝制速度等运动信息。图 11 所示为规划前后位置、速度与加速度曲线对比图，其中虚线表示规划前曲线，实线表示规划后曲线。规划前，没有考虑缝制轮廓段曲率变化，对于曲率变化轮廓段仍采用恒速缝制，速度为 25mm/s。由式（8）可知，机器人末端速度变化剧烈；规划后，如图 11 所示，在缝制过程中，匀速段占比最高，可以避免缝纫机频繁加减速，方便缝纫机控制，符合最佳缝纫状态标准。基于齐次变换法，将时间序列下的缝制轮廓位置信息映射到机器人末端，得到时间序列下机器人进给轨迹点。机器人末端轨迹点为笛卡尔空间下的信息，利用前面得到的机器人运动学模型，计算对应时间序列下关节空间运动信息。图 12 所示为缝制速度规划前后机器人笛卡尔空间运动曲线。图 11 规划前、后轮廓缝制位置、速度、加速度曲线如图 12（a）所示，规划前为恒速缝制，缝制速度为 25mm/s，对应的机器人末端速度最大为 481.3mm/s，其 中 x 方 向 为 177.1mm/s，y 方 向 为 447.5mm/s。在 第1327s，缝制轮廓曲线曲率变化，机器人速度变化剧烈，波动明显，验证了式（8）的分析。图 12（b）为规划后速度曲线，机器人进给轨迹最大速度为 185mm/s，其中 x方向为 63.5mm/s，y 方向为 173.6mm/s。从图中可以看出，机器人末端在第 10s 左右出现短时加减速。这是由于 B轮廓段曲率变化剧烈，为了匹配缝纫针缝制速度，对应的机器人进给轨迹速度变化也较大。规划后机器人速度变化情况明显优于规划前，运动稳定性有所提升。利用机器人缝纫实验平台，通过人工模拟控制缝纫机转速，进行真机缝制实验。图 13 所示为规划前后机器人真机缝制效果对比图，其中斜视图为从布料上方45斜视所得。（a）规划前机器人速度（b）规划后机器人速度图 12 规划前后机器人末端运动曲线技术应用Technique and application 15Robot Technique and Application2023 4参考文献1 GRIES T,LUTZ V.Application of Robotics in Garment ManufacturingM.Cambridge,England:Woodhead Publishing,2018:179-197.2 徐燕妮.服装缝制生产运行模拟与综合评估 D.苏州：苏州大学,2016.3 MORAN M E.Rossums Universal Robots:Not the MachinesJ.Journal of Endourology,2007,21（12）:1399-1402.4 LEE S,RHO S,LIM D,et al.A Basic Study on Establishing the Automatic Sewing Process According to Textile PropertiesJ.Processes,2021,9（7）:1206.5 JONES I,STYLIOS G K.Joining Textiles:Principles and ApplicationsM.Amsterdam,Netherlands:Elsevier,2013.6 熊安迪.珞石机器人：从刀剪打磨到轻型机器人专家 J.机器人产业,2020（5）:116-120.7 SCHRIMPF J,LIND M,MATHISEN G.Real-Time Analysis of a Multi-Robot Sewing CellC/2013 IEEE International Conference on Industrial Technology（ICIT）.IEEE,2013:163-168.8 SCHRIMPF J,MATHISEN G.Differential Feed Control Applied to Corner Matching in Automated SewingC/2016 IEEE International Conference 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总结本文基于梯形曲线速度规划方法，研究了缝纫机作为外部设备，机器人进给布料进行缝制的场景下，机器人进给轨迹生成与速度规划问题，研究成果如下：1）建立了复杂缝制曲线下机器人进给轨迹与缝制曲线之间的转换关系：不同于直线或圆弧缝制曲线，利用齐次变换法，建立工具工作点与机器人末端点之间的位姿变换关系，生成机器人缝制进给轨迹；2）进行了基于梯形曲线规划法的缝制速度规划：根据待缝制轮廓曲线曲率变化趋势，对轮廓曲线进行曲率分段；采用梯形曲线规划方法对轮廓进行分段缝制速度规划，减少机器人末端速度波动；3）通过真机实验进行了缝制效果检验，实验结果表明：本文所提出的方法考虑缝制轮廓曲率变化，提高了机器人缝制质量，实现了机器人较平稳缝制。由于实验中采用人工模拟控制缝纫机转速，不可避免出现误差。下一步将通过改造缝纫机，利用缝纫机转速的自动控制，实时精确控制缝制速度，优化机器人缝制效果。